阅读说明：本技术 多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的方法 (Method for enhancing mechanical property of aluminum matrix composite material by cooperation of multi-element multi-dimensional enhanced phase ) 是由 何春年 杨立壮 蒲博闻 张翔 师春生 赵乃勤 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的制备方法,步骤如下：原位合成石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒复合增强相：以葡萄糖为碳源,三水合硝酸铜为铜源,氯化钠为模板,与羧基化碳纳米管共同溶于去离子水中并进行均匀分散,得到混合溶液；之后将混合溶液在液氮辅助下进行快速冷冻,采用冷冻干燥技术去除水分,得到复合粉末；将上述获得的复合粉末放置在方舟中,然后放入到高温管式炉的恒温区进行化学反应,合成条件为氢气下进行反应,合成温度为700～800℃,反应结束后将样品进行快速降温,得到混合粉末；将反应后获得的粉末用去离子水进行水洗和抽滤以除去氯化钠；最后将获得粉末进行真空干燥,得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒的复合增强相。(2)石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒协同增强铝基复合材料的成型制备。(The invention relates to a preparation method for the mechanical property of a multi-element multi-dimensional reinforced phase synergistic reinforced aluminum matrix composite, which comprises the following steps: in-situ synthesis of a graphene-loaded carbon nanotube and copper nanoparticle composite reinforcing phase: dissolving glucose as a carbon source, copper nitrate trihydrate as a copper source and sodium chloride as a template in deionized water together with the carboxylated carbon nanotubes, and uniformly dispersing to obtain a mixed solution; then, quickly freezing the mixed solution under the assistance of liquid nitrogen, and removing water by adopting a freeze drying technology to obtain composite powder; placing the obtained composite powder in a square boat, then placing the square boat in a constant-temperature area of a high-temperature tube furnace for chemical reaction, wherein the synthesis condition is that the reaction is carried out under hydrogen, the synthesis temperature is 700-800 ℃, and after the reaction is finished, rapidly cooling a sample to obtain mixed powder; washing the powder obtained after the reaction with deionized water and performing suction filtration to remove sodium chloride; and finally, carrying out vacuum drying on the obtained powder to obtain the composite reinforced phase of the graphene-loaded carbon nano tube and the copper nano particles. (2) And (3) molding and preparing the graphene-loaded carbon nanotube and copper nanoparticle synergistically enhanced aluminum matrix composite.)

多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的方法

技术领域

本发明涉及一种利用冷压-烧结的成型方式来提升铝基复合材料力学性能的制备方法，属于粉末冶金领域。

背景技术

铝和铝合金由于其高的热稳定性，低的密度，良好的塑韧性和优异的抗腐蚀性等被广泛应用于航空航天、汽车和电子等领域中。但是，目前我们所采用的铝和铝合金通常强度较低，无法满足工业上的许多需求。因此，研究者通过多种方式提升铝和铝合金的力学性能。其中，通过制备铝基复合材料来提升力学强度是一条非常有效的方法。

传统制备铝基复合材料主要是通过陶瓷相纳米颗粒和纤维等，例如氧化铝纳米颗粒，氮化硼纳米片，碳化硅纳米颗粒和碳化钛晶须等。而制备方法主要有粉末冶金、搅拌铸造和压力熔渗等。但是，随着科技发展对结构材料性能要求的不断提升，这些传统的增强相逐渐暴露出增强效率低、密度大、塑韧性差的不足，因此寻找一种新型、高强韧等综合性能良好的轻质增强相成为人们亟待解决的问题。

碳纳米材料(主要包括碳纳米管和石墨烯)是近些年来受到广泛关注的新型纳米材料。其中，碳纳米管和石墨烯都具有优异的性能，强度是钢材的100多倍；杨氏模量1100GPa，热导率约为6000J/(m·K·s)，载流子迁移率可达2×10⁵cm²/(V·s)，而密度只有2.2g/cm³。因此，在低质量分数添加量下，碳纳米管和石墨烯即可大幅度提高金属基体，同时，碳纳米管和石墨烯的密度小于金属基体，在提高金属基体力学性能的同时也降低了复合材料的密度，符合目前复合材料的研究目标，即轻量化和高强等要求。而碳纳米管和石墨烯所具有的超强力学性能已远超过传统的陶瓷相和纳米颗粒等增强相，并且目前可以大规模生产，所以用碳纳米管和石墨烯来增强金属基体有望解决复合材料延伸率低、塑性加工困难的问题，从而在取得良好的增强效果的同时又可以降低生产成本。因此，研究碳纳米管和石墨烯增强金属基复合材料具有非常重要的意义。但目前将碳纳米管或石墨烯作为单独的增强相添加到铝基体中获得性能提升非常有限，因此许多研究者尝试通过构筑碳纳米管和石墨烯的复合增强相来增强铝基复合材料，来达到更好的增强效果。但由于碳纳米材料在烧结或高温熔炼过程中极易与铝反应生成碳化铝脆性相，从而使得复合材料的塑性下降，这一问题又为碳纳米材料增强铝基复合材料带来了困难。研究者发现，在石墨烯或碳纳米管表面通过涂层或负载纳米金属颗粒的方式，不仅可以提高石墨烯或碳纳米管与铝基体的结合，还可以在加工过程中保证碳纳米管和石墨烯的结构完整性。因此，通过构筑碳纳米管和石墨烯复合增强相的同时并负载金属纳米颗粒对增强铝基复合材料并提升铝基复合材料具有很重要的意义。

本发明通过盐模板辅助的方法原位合成石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒。其中，碳纳米管和石墨烯和形成稳定的结合，铜纳米颗粒通过原位催化反应使得石墨烯不仅具有高的结晶度，而且二者之间具有较高的结合强度，从而制备出性能稳定的复合增强相。之后通过变速球磨的方式使得复合增强相不仅在基体中均匀分布，并且结构完整性得到保护。再通过冷压烧结和热挤压的成型方式得到棒状复合材料。通过实验发现，复合材料的力学性能获得显著的提升，并具有较好的延伸率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型复合增强相用于增强铝基复合材料的制备方法，主要是通过原位合成方式使石墨烯均匀负载碳纳米管和铜纳米颗粒，最终实现铝基复合材料力学性能的显著提升。为实现上述目的，本发明通过以下技术方案加以实现。

一种多元多维度增强相协同增强铝基复合材料力学性能的方法，步骤如下：

(1)原位合成石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒复合增强相：以葡萄糖为碳源，三水合硝酸铜为铜源，氯化钠为模板，与羧基化碳纳米管共同溶于去离子水中并进行均匀分散，得到混合溶液；之后将混合溶液在液氮辅助下进行快速冷冻，采用冷冻干燥技术去除水分，得到复合粉末；将上述获得的复合粉末放置在方舟中，然后放入到高温管式炉的恒温区进行化学反应，合成条件为氢气下进行反应，合成温度为700～800℃，升温速率为5℃/min～10℃/min，反应结束后将样品进行快速降温，得到混合粉末；将反应后获得的粉末用去离子水进行水洗和抽滤以除去氯化钠；最后将获得粉末进行真空干燥，得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒的复合增强相。

(2)石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒协同增强铝基复合材料的成型制备：将获得的复合增强相与铝粉装入球磨罐中，其中球料比为10:1，并将球磨罐中充满氩气作为保护气体；将复合增强相与铝粉进行变速球磨以保证增强相在铝粉中均匀分散且结构不被严重破坏；最后，将球磨后的粉末先进行500-600Mpa的冷压成型，之后在温度为600-630℃下进行烧结，选择氩气为保护气氛，烧结后的块体材料在500～600℃下进行热挤压，之后得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒协同增强的铝基复合材料。

附图说明

图1为实施例1制备复合增强相所用的羧基化碳纳米管的扫描、透射、拉曼和红外测试图。图中显示出碳纳米管的直径大概为10-30nm左右，并且含有羧基官能团和较多的缺陷，在碳纳米管外壁处含有一层非晶碳缺陷。

图2为实施例1制得的石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒的扫描和透射图。从该图中可以明显的观察到碳纳米管和铜纳米管负载在石墨烯表面并与石墨烯紧密结合。

图3(a)为实施例1制得的复合增强相和与铝粉球磨后复合粉末的拉曼光谱图。从该图中可以看出采用的变速球磨可以有效的保护增强相的结构不被严重破坏。

图3(b)为实施例1球磨后粉末的扫描图片。从该图可以看出变速后的粉末形成轻度冷焊的颗粒状，且在颗粒表面并未发现明显的团聚现象。

图4为本发明实施例1制得的复合材料和对比例1制得的纯铝的应力-应变曲线。

具体实施方式

下面结合具体实例说明本发明，但并不限制本发明。

实施例1

(1)首先将0.1g羧基化碳纳米管置于30ml去离子水中，并放入细胞粉碎机进行超声分散1h，同时将0.938g葡萄糖、1.812g硝酸铜和36.59g氯化钠置于烧杯中，加入150ml去离子水，放置磁力搅拌器中进行均匀混合，待羧基化碳纳米管在水中均匀分散形成悬浊液后，用滴管逐滴加入到葡萄糖、硝酸铜和氯化钠的溶液中，形成混合溶液，随后再将混合溶液超声分散0.5h，之后混合溶液在液氮辅助下进行快速冷冻以防止碳纳米管形成团簇，并放置冰箱中冷冻12h，最后在冻干机中干燥24h得到粉末。

(2)将步骤(1)中得到的复合粉末倒入方舟并置于管式炉中进行化学合成，在氢气环境下进行反应，合成温度为700～800℃，升温速率为5～10℃/min，反应结束后将样品进行快速降温，得到混合粉末。将反应后获得的粉末用去离子水进行水洗和抽滤以除去氯化钠。最后将获得粉末进行真空干燥，得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒的复合增强相。

(3)将步骤(2)中获得复合增强相按质量分数为2.0wt.％与20g铝粉进行球磨混合，其中实验采用铝粉粒径为9-11μm并以硬脂酸作为过程控制剂，且球料比为10:1，并将球磨罐中充满氩气作为保护气体。混合粉末首先在200转下进行3h球磨，随后在400转下进行1.5h球磨。将球磨后的复合粉末先进行冷压，压力为500-600MPa时间为3min，获得块体复合粉末。然后将块体复合粉末在氩气环境中进行600-630℃、1h的烧结，再将得到的块体复合材料在500-550℃条件下进行热挤压，之后得到石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒协同增强的铝基复合材料。

(4)将步骤(3)中获得的挤压后的棒状复合材料进行切割加工，得到拉伸试样，进行力学性能测试。

本实例所制备的石墨烯负载碳纳米管和铜纳米颗粒增强的铝基复合材料在冷压烧结-热挤压状态下的拉伸强度为340MPa，延伸率为15.4％，结果如图4中实施例1曲线所示。

对比例1

(1)将20g铝粉放入球磨罐进行球磨，铝粉粒径为9-11μm并以硬脂酸作为过程控制剂，球料比为10:1，且氩气作为保护气体。铝粉首先在200转下进行3h球磨，随后在400转下进行1.5h球磨。将球磨后的铝粉先进行冷压，压力为500-600MPa时间为3min，获得块体铝粉。然后将块体铝粉在氩气环境中进行600-630℃、1h的烧结，得到烧结的铝块。再将得到的烧结铝块在500-550℃条件下进行热挤压，得到棒状的纯铝材料；

(2)将步骤(1)中获得挤压后的棒状纯铝材料进行切割加工，得到拉伸试样，进行力学性能测试。

本对比例所制备的纯铝在冷压烧结-热挤压状态下的拉伸强度为150MPa，延伸率为21.6％，结果如图4中对比例1曲线所示。